ТУРБОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ ЖРД Российский патент 2014 года по МПК F04D13/04 F04D29/58 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к области лопаточных машин, и может быть использовано в области ракетостроения, в турбонасосных агрегатах (ТНА) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) и ядерных ракетных двигателей (ЯРД).

При создании ТНА ЖРД одним из ключевых моментов создания агрегата является обеспечение работоспособности турбины и надежного разделения насоса и турбины, особенно для двигателей, работающих на криогенных компонентах топлива. Для исключения попадания горячего газа из турбины в насос на вход в уплотнение между насосом и турбиной подается жидкий компонент высокого давления из-за крыльчатки или насоса, что ведет к повышенной утечке жидкого компонента топлива в турбину. Этот способ обеспечивает надежное разделение насоса и турбины, но обладает определенными недостатками, основными из которых являются: значительные утечки в полость турбины, что снижает коэффициент полезного действия насоса, негативное влияние на картину течения на входе в рабочее колесо турбины, что ведет к снижению ее коэффициента полезного действия, отрицательное влияние на напряженно-деформированное состояние рабочего колеса турбины из-за «холодных» утечек на диск, что ведет к повышенным напряжениям на диске рабочего колеса турбины - сжимающим со стороны насоса и растягивающим - со стороны, противоположной насосу.

Известна конструкция турбонасосного агрегата, состоящего из насоса и турбины, вала, опирающегося на шарикоподшипники, установленные на валу рабочее колесо турбины и крыльчатку, корпус и разделительную полость с уплотнениями вала со стороны полости насоса и полости перед колесом турбины, которая соединена с выходной полостью крыльчатки или насоса (Дмитренко А.И. Развитие конструкции турбонасосных агрегатов ЖРД, разработанных в КБХА // Научно-технический юбилейный сборник. КБ химавтоматики - ИПФ Воронеж, 2001. - С.308-314 - прототип).

Указанная конструкция турбонасосного агрегата является типовой для ТНА ЖРД. Недостатком такой конструкции является наличие повышенных утечек «холодной» рабочей жидкости из насоса в турбину, что приводит к ухудшению прочностных характеристик рабочего колеса турбины, ведет к снижению суммарной экономичности турбонасосного агрегата.

Настоящее изобретение направлено на повышение надежности ТНА ЖРД и коэффициента полезного действия турбонасосного агрегата.

Технический эффект достигается тем, что в турбонасосном агрегате ЖРД, содержащем насос и турбину, вал, опирающийся на шарикоподшипники, установленные на валу рабочее колесо турбины и крыльчатку, корпус и разделительную полость с уплотнениями вала со стороны полости насоса и полости перед колесом турбины, разделительная полость согласно изобретению каналом в корпусе и внешним отводящим трубопроводом соединена с магистралью двигателя, давление в которой ниже давления в полости турбины. Внешний отводящий трубопровод может быть соединен с газовым трактом после турбины, с магистралью подвода жидкости в насос, с магистралью подвода жидкости в двигатель. Кроме того, разделительная полость может быть соединена с газовым трактом после турбины каналом или каналами в валу и рабочем колесе турбины. При этом диаметры уплотнений со стороны насоса и турбины могут быть различными.

Использование изобретения обеспечивает повышение надежности работы ТНА за исключения влияния холодных утечек из насоса на напряженно-деформированное состояние рабочего колеса турбины, повышение экономичности турбины и общего коэффициента полезного действия турбонасосного агрегата, которое достигается за счет исключения негативного влияния утечки из насоса на картину течения на входе в рабочее колесо турбины.

Турбонасосный агрегат ЖРД, созданный с использованием предлагаемого изобретения, имеет более высокую экономичность и надежность за счет исключения утечек рабочей жидкости из насоса в турбину. Кроме турбонасосных агрегатов ЖРД, изобретение может использоваться в агрегатах общепромышленного назначения, в том числе работающих на криогенных жидкостях.

На фиг.1 показан общий вид, на фиг.2 - вариант предлагаемого турбонасосного агрегата, где 1 - насос; 2 - турбина; 3 - вал; 4, 5 -подшипник; 6 - колесо турбины; 7 - крыльчатка; 8 - корпус; 9 - разделительная полость; 10 - уплотнение между разделительной полостью и насосом; 11 - уплотнение между разделительной полостью и турбиной; 12 - канал в корпусе; 13 - внешний отводящий трубопровод; 14 - канал в валу и рабочем колесе турбины.

Турбонасосный агрегат (фиг.1) состоит из насоса 1, турбины 2, вала 3. Вал установлен на подшипниках 4, 5. На валу установлены рабочее колесо турбины 6 и крыльчатка 7. Полость турбины отделена от насоса разделительной полостью 9 с уплотнениями 10 и 11. Каналом в корпусе 12 и внешним отводящим трубопроводом 13 разделительная полость 9 соединена с магистралью двигателя, давление в которой ниже давления в полости турбины. Внешний отводящий трубопровод может быть соединен с газовым трактом после турбины, с магистралью подвода жидкости в насос, с магистралью подвода жидкости в двигатель, с магистралью подвода рабочего тела в камеру. Разделительная полость может быть соединена с газовым трактом после турбины каналом в валу и рабочем колесе турбины 14 (фиг.2).

При начале работы турбонасосного агрегата, выполненного согласно фиг.1, 2, рабочая жидкость через уплотнение между разделительной полостью и насосом и газ из турбины через уплотнение между турбиной и разделительной полостью попадают в разделительную полость. Затем смесь из рабочей жидкости и газа через канал в корпусе и внешнем отводящем трубопроводе (или отверстия в валу и рабочем колесе турбины) поступает в полость с давлением, меньшим, чем в разделительной полости. В случае поступления «холодных» утечек со стороны насоса в турбину их поток, имеющий более низкую по сравнению с газом температуру, попадая на рабочее колесо турбины, ведет к нарушению картины течения на входе в рабочее колесо, что снижает экономичность турбины, а также к повышенным напряжениям на диске рабочего колеса турбины - сжимающим со стороны насоса и растягивающим - со стороны противоположной насосу. Так как в предлагаемом турбонасосном агрегате исключена утечка холодной жидкости в турбину, снижаются напряжения в рабочем колесе турбины и улучшаются газодинамические характеристики турбины, что обеспечивает повышение надежности и общей эффективности турбонасосного агрегата.

Группа изобретений относится к области насосостроения и может быть использована в ракетостроении, в турбонасосных агрегатах (ТНА) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) и ядерных ракетных двигателей (ЯРД). ТНА содержит насос 1, турбину 2, вал 3, опирающийся на шарикоподшипники 4, 5, установленные на валу 3 рабочее колесо 6 турбины 2 и крыльчатку 7, корпус 8 и разделительную полость 9 с уплотнениями 11 вала 3 со стороны полости насоса 1 и полости перед колесом 6 турбины 2. Разделительная полость 9 каналом 12 в корпусе и внешним отводящим трубопроводом 13 соединена с магистралью двигателя, давление в которой ниже давления в полости турбины 2. Внешний отводящий трубопровод 13 может быть соединен с газовым трактом после турбины 2, с магистралью подвода жидкости в насос 1, с магистралью подвода жидкости в двигатель. Разделительная полость 9 может быть соединена с газовым трактом после турбины 2 каналом или каналами в валу 3 и рабочем колесе 6 турбины 2. Группа изобретений направлена на повышение надежности ТНА ЖРД и коэффициента полезного действия турбонасосного агрегата. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Турбонасосный агрегат ЖРД, содержащий насос и турбину, вал, опирающийся на шарикоподшипники, установленные на валу рабочее колесо турбины и крыльчатку, корпус и разделительную полость с уплотнениями вала со стороны полости насоса и полости перед колесом турбины, отличающийся тем, что разделительная полость каналом в корпусе и внешним отводящим трубопроводом соединена с магистралью двигателя, давление в которой ниже давления в полости турбины.

2. Турбонасосный агрегат ЖРД по п.1, отличающийся тем, что отводящий трубопровод соединен с газовой магистралью после турбины.

3. Турбонасосный агрегат ЖРД по п.1, отличающийся тем, что отводящий трубопровод соединен с магистралью подвода жидкости в насос.

4. Турбонасосный агрегат ЖРД по п.1, отличающийся тем, что отводящий трубопровод соединен с магистралью подвода жидкости в двигатель.

5. Турбонасосный агрегат ЖРД, содержащий насос и турбину, вал, опирающийся на шарикоподшипники, установленные на валу рабочее колесо турбины и крыльчатку, корпус и разделительную полость с уплотнениями вала со стороны полости насоса и полости перед колесом турбины, отличающийся тем, что разделительная полость соединена с газовой магистралью после турбины каналом в валу и рабочем колесе турбины.